Green Chemistry
2.4 Liquidi Ionici come solventi per reazion
Una delle caratteristiche principali dei liquidi ionici è quella di solubilizzare una vasta categoria di composti organici, inorganici e organometallici, facendo di questi mezzi di reazione i solventi ideali per reazioni che procedono in condizioni mediate da catalizzatori. E’ poi interessante notare come, a seconda delle proprietà coordinative dell’anione, il liquido ionico possa essere utilizzato come un normale solvente inerte, oppure come cocatalizzatore.
Nel caso specifico di reazioni catalizzate da derivati organometallici o da metalli di transizione i liquidi ionici con ioni tetrafluoroborato o esafluorofosfato vengono considerati come solventi inerti: in questi casi il ruolo del liquido ionico è unicamente quello di fornire un debole mezzo di coordinazione polare per il catalizzatore ed inoltre di
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consentire un’ottima solubilizzazione di reagenti e prodotti. L’utilizzo dei liquidi ionici permette spesso di combinare in maniera appropriata le proprietà del solvente stesso, cosa che invece non può essere realizzata adoperando l’acqua o un qualsiasi altro comune solvente organico.
I liquidi ionici formati dalla reazione di un alogenuro con un acido di Lewis (ad esempio sali cloroalluminati o clorostannati) generalmente agiscono come cocatalizzatori. Il motivo risiede nell’acidità o nella basicità di Lewis, che determina forti interazioni con il complesso catalizzatore. In molti casi l’acidità di Lewis di un liquido ionico viene utilizzata per convertire il precursore del catalizzatore neutro nella corrispondente forma attiva cationica. Alcuni esempi riguardano l’attivazione di [Cp2TiCl2]50 nei sali (melts)
acidi cloroalluminati e quella di [(PR3)2PtCl2] nei sali clorostannati (Equazioni 2.4.1 e
2.4.2):
[Cp2TiCl2] + [catione]+Al2Cl7- [Cp2TiCl]+AlCl4- + [catione]+AlCl4- Eq. 2.4.1
[(PR3)2PtCl2] + [catione]+Sn2Cl5- [(PR3)2PtCl]+SnCl3- + [catione]+SnCl3- Eq. 2.4.2
Esistono diversi buoni motivi per considerare i liquidi ionici solventi alternativi in reazioni ben conosciute, catalizzate da metalli di transizione. Oltre al vantaggio legato alla loro natura non volatile, di particolare interesse è la ricerca di nuove reazioni bifasiche, con una fase costituita da un catalizzatore ionico. La possibilità di migliorare le proprietà di solubilizzazione, attraverso la differente combinazione catione/anione, permette una sistematica ottimizzazione della reazione bifasica stessa, per esempio per quel che riguarda la selettività del prodotto. Un’importante alternativa per aumentare la selettività nelle reazioni in multifase deriva dalla preferenziale solubilità di un solo reagente nel solvente catalizzatore o dall’estrazione in situ degli intermedi di reazione fuori lo strato del catalizzatore.9
Infine, i liquidi ionici possono essere superiori all’acqua o ai comuni solventi organici nelle catalisi con metalli di transizione, in particolar modo quando, come catalizzatori, vengono utilizzati complessi ionici. In questi casi è possibile ottenere un significativo incremento della stabilità e dell’attività del catalizzatore.
2. Liquidi Ionici
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2.5 Liquidi Ionici Chirali
È indiscutibile il fatto che la chiralità abbia giocato e giochi tuttora un ruolo importante nella chimica in generale. Negli ultimi anni infatti, la ricerca di nuovi solventi e materiali basati su liquidi ionici chirali (CILs) è divenuto un campo di ricerca di importanza sempre più crescente e un numero sempre maggiore di liquidi ionici chirali sono stati progettati, sintetizzati ed utilizzati per potenziali applicazioni in separazioni chirali, sintesi asimmetriche e risoluzioni ottiche di racemati.
Proprio la sintesi asimmetrica è una delle più importanti aree inerenti la chimica organica, la biochimica e la farmacologia. Di solito, l’induzione asimmetrica viene incrementata mediante l’utilizzo di substrati e/o reagenti otticamente attivi, catalizzatori chirali, enzimi o solventi chirali. Perciò, ora che i liquidi ionici a temperatura ambiente hanno acquisito molta popolarità, l’attenzione si è spostata sulla sintesi e la caratterizzazione di liquidi ionici chirali, le cui proprietà chimiche e fisiche, comunque, sono molto simili a quelle dei liquidi ionici “normali”.
Grazie alla facilità con cui essi possono essere sintetizzati e grazie anche alle loro particolari proprietà, questi nuovi solventi dovrebbero giocare un ruolo chiave nella chimica organica stereoselettiva e di conseguenza ampliare la funzione dei classici solventi chirali.
Un significativo trasferimento di chiralità in questi solventi può essere dovuto al loro elevato grado di organizzazione: è stato infatti riportato come molti liquidi ionici posseggano un comportamento polimerico e siano liquidi altamente ordinati mediante legami ad idrogeno. Queste specifiche proprietà suggeriscono che i liquidi ionici chirali sono particolarmente adatti a rimpiazzare i classici solventi chirali in reazioni che prevedono l’induzione asimmetrica.
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3. Reazione di Nef
3.1 Aspetti generali
L’interconversione di gruppi funzionali rappresenta una caratteristica fondamentale in tutti i processi che portano alla sintesi di composti a struttura ben definita. A dire il vero, molti gruppi attivanti, che promuovono la formazione di legami carbonio-carbonio, spesso hanno bisogno di essere sostituiti da altre entità funzionali, una volta terminato il loro compito nel processo sintetico principale. La disponibilità di un consistente numero di tali trasformazioni per un particolare gruppo funzionale, contribuisce in maniera determinante al successo ed allo sviluppo della chimica corrispettiva.
Ad esempio, l’importanza dei nitroalcani 1 nelle sintesi, è dovuta principalmente alla facilità con cui essi possono essere convertiti nei corrispondenti anioni nitronati 2, a causa dell’alto potere elettron-attrattore del gruppo nitro, che favorisce un notevole incremento dell’acidità dell’idrogeno in posizione α 51. I sali nitronati possono perciò agire come carboni nucleofili, con un range di elettrofili che comprende aloalcani 52, aldeidi 53 e accettori di Michael 54, al fine di permettere la formazione di nuovi legami carbonio- carbonio (Schema 3.1.1). R NO2 R NO2 E B- E+ 1 2 3
[E+] = R1-X, R1CHO, EWG
R NO2
Schema 3.1.1
Una volta che tali addotti sono stati formati, il gruppo nitro può essere conservato nella struttura della molecola, se questa viene utilizzata per un’ulteriore addizione nucleofila, oppure può essere rimosso o trasformato in altre funzionalità, seguendo una ben definita strategia sintetica (Schema 3.1.2).
3. Reazione di Nef 35 R R1 NH2 R R1 NO2 R R1 R R1 R R1 O 4 5 6 7 8 -HNO2 Nef [H]N [H]C R1 = EWG Schema 3.1.2
La riduzione del gruppo nitro nel composto 4 consente di ottenere l’ammina primaria 5, nella quale si è verificato un semplice cambiamento nello stato di ossidazione dell’atomo di azoto. In alternativa, il gruppo nitro può essere rimosso dalla molecola o mediante sostituzione con un idrogeno, determinando così la formazione del corrispondente prodotto denitrato 6 55, oppure tramite eliminazione come acido nitrico, introducendo un doppio legame nella struttura molecolare 7 56. Un’ulteriore alternativa consiste nella conversione del gruppo nitro a gruppo carbonilico 8 57. Quest’ultimo processo rappresenta la trasformazione del nitrogruppo che viene sfruttata maggiormente, dato che inverte in maniera definitiva la polarità dell’atomo di carbonio vicinale: esso infatti da nucleofilo diviene elettrofilo.
Le opportunità sintetiche offerte da questa conversione hanno permesso, fin dalla scoperta ad opera di Nef nel 1894 58, di focalizzare l’attenzione sulla chimica dei nitro-composti alifatici.
La procedura originale per la trasformazione del gruppo nitro in gruppo carbonilico, come descritta da Nef, prevedeva essenzialmente l’idrolisi, in condizioni fortemente acide, di un sale nitronato 9, prodotto dal trattamento basico di un nitroalcano (Schema 3.1.3).
36 R1 R2 N O O R1 R2 N O OH R1 R2 N OH OH R1 R2 NH OH OH R1 R2 O + H2O + H+ + HNO OH H2O H+ H+ 9 10 11 12 13 14 Schema 3.1.3
L’idrolisi si verifica sulla forma protonata 11 del corrispondente acido nitronico 10, e porta alla formazione di un intermedio 12 che, mediante la perdita di acqua e acido iponitroso 14, dà vita al composto carbonilico 13. La distribuzione del prodotto in questa reazione è fortemente affetta dal livello di acidità del sistema. A pH > 1, le ossime, come pure altri composti idrossinitroso, possono essere formate in quantità apprezzabili. Per questa ragione, è richiesta una rapida acidificazione del sale nitronato, e molto spesso è auspicabile aggiungere il sale alla soluzione acida. Le condizioni “rigide” nelle quali la conversione viene normalmente condotta (pH < 1) hanno stimolato i ricercatori a sviluppare metodi alternativi che possano essere impiegati in condizioni ossidative, riduttive e quasi neutre. È interessante notare che un fattore comune in tutte le procedure ossidative è la formazione dell’anione nitronato come specie reattiva; la successiva rottura, per dare il composto carbonilico, avviene sul doppio legame carbonio-azoto. Al contrario, i metodi riduttivi possono essere impiegati sull’anione nitronato o direttamente sul nitroalcano, anche in condizioni acide.
Un aspetto interessante di questa trasformazione riguarda la natura del nitroalcano utilizzato come substrato. I nitro-composti secondari vengono infatti comodamente trasformati in chetoni, al contrario dei nitro-derivati primari, che invece possono essere convertiti in aldeidi o acidi carbossilici, a seconda delle condizioni di reazione. Particolare attenzione bisogna perciò porre in questo tipo di reazioni, in modo particolare quando vengono scelte le procedure ossidative per trasformare nitroalcani primari in aldeidi. Anche i nitroalcheni, che sono potenzialmente accettori di Michael, possono essere impiegati come substrati per la reazione di Nef 59,60. Inoltre, l’addizione coniugata di reagenti nucleofili a nitroolefine, porta alla formazione, come intermedio di reazione, di un
3. Reazione di Nef
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anione nitronato, che può essere a sua volta trasformato, solitamente mediante un processo a cascata, nel corrispondente composto carbonilico.